盾構(gòu)滾刀磨損三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張孟喜，曹夢(mèng)佳，魏 輝，加武榮，張 靖

(1.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；2.中鐵二十局集團(tuán)有限公司，廣東廣州 511400)

0 引言

TBM(tunnel boring machine)法和盾構(gòu)法作為現(xiàn)代城市隧道建設(shè)的主要手段，具有安全、高效、可控等特點(diǎn)[1-2]。滾刀作為盾構(gòu)機(jī)破巖掘進(jìn)的關(guān)鍵構(gòu)件，其磨損狀態(tài)直接影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率[3]。但由于滾刀所在掌子面環(huán)境復(fù)雜，通常難以實(shí)時(shí)地確定其磨損情況，導(dǎo)致磨損失效的滾刀不能及時(shí)更換。

目前用于確定滾刀磨損的方法主要有開(kāi)倉(cāng)檢查、磨損預(yù)測(cè)模型和磨損感應(yīng)裝置等。開(kāi)倉(cāng)檢查需頻繁地停機(jī)進(jìn)倉(cāng)，影響掘進(jìn)效率且存在安全隱患[4]；磨損預(yù)測(cè)模型通常能預(yù)測(cè)一定的磨損趨勢(shì)但精度不足[5-7]。電渦流傳感器具有只對(duì)金屬導(dǎo)體敏感以及非接觸式測(cè)量的特性，已被證明是測(cè)量位移、位置等的有效工具[8]，用于監(jiān)測(cè)滾刀磨損能夠有效避免掘進(jìn)過(guò)程中泥水、碎石的干擾。鄭偉[9]等設(shè)計(jì)了基于電渦流傳感器的實(shí)時(shí)磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其檢測(cè)值的正確性。李東利[10]等探討了電渦流傳感器的檢測(cè)機(jī)制，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)磨損監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。但是這些方案均只能固定監(jiān)測(cè)滾刀某一個(gè)切面的周向磨損情況，而滾刀的磨損應(yīng)是三維空間的體現(xiàn)。本文提出了一種將電渦流傳感器、磁開(kāi)關(guān)傳感器和直線滑臺(tái)相結(jié)合的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾刀磨損的全覆蓋監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理

1.1 電渦流位移傳感器原理

傳感器探頭內(nèi)線圈在高頻電流的激勵(lì)下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)有導(dǎo)體靠近時(shí)，導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生電渦流，而該電渦流又會(huì)產(chǎn)生與原磁場(chǎng)相反的交變磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線圈的有效阻抗Z發(fā)生改變。Z可表示為與金屬導(dǎo)體磁導(dǎo)率u、電導(dǎo)率σ、尺寸因子r、線圈與導(dǎo)體距離δ、激勵(lì)電流I和頻率ω等參數(shù)有關(guān)的函數(shù)：

Z=F(u,σ,r,δ,I,ω)

(1)

當(dāng)確定了u、σ、r、I、ω等參數(shù)時(shí)，阻抗Z就成為距離δ的單值函數(shù)[11]。

1.2 可視化監(jiān)測(cè)原理

圖1 滾刀三維可視化監(jiān)測(cè)原理圖

(2)

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸及可視化系統(tǒng)4個(gè)模塊組成，如圖2所示。為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合盾構(gòu)施工條件，滿足精度、量程、信號(hào)穩(wěn)定等要求。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

以低功耗STM32L152芯片作為系統(tǒng)的主控芯片。該芯片擁有128 KB閃存、16 KB內(nèi)存、4 096字節(jié)的E2PROM和8個(gè)定時(shí)器，具有超低功耗、運(yùn)算性能強(qiáng)大以及豐富的片上外圍模塊等特點(diǎn)[12]。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)上的安裝方案[13]如圖3所示，由傳感器、開(kāi)發(fā)板、直線滑臺(tái)、磁鐵等構(gòu)成。選用探頭直徑為50 mm的ZD-220電渦流位移傳感器，該傳感器為高頻反射式電渦流傳感器，量程為50 mm，精度為0.2%的量程，可在-20～70 ℃的溫度下工作，具有很好的抗干擾性。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件安裝圖

如圖4所示，傳感器通過(guò)同軸連接器與開(kāi)發(fā)板相連。信號(hào)經(jīng)LM358雙運(yùn)算放大電路進(jìn)行調(diào)理后通過(guò)12位的ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與磁開(kāi)關(guān)信號(hào)一同經(jīng)芯片程序重新編碼后儲(chǔ)存在緩存中。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路圖

以SI4432芯片作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的下位機(jī)端，與STM32L152芯片通過(guò)SPI傳輸數(shù)據(jù)，連接示意圖見(jiàn)圖5。上位機(jī)端采用帶有USB接口的無(wú)線數(shù)傳模塊，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)與各監(jiān)測(cè)位置芯片之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 SI4432與單片機(jī)連接示意圖

硬件系統(tǒng)采用容量為2 500 mA·h的電池供電，配合低功耗微控制器STM32L152和低功耗無(wú)線芯片SI4432，在系統(tǒng)連續(xù)工作狀態(tài)下，可使用一個(gè)月的時(shí)間。

2.3 刀圈不同切面數(shù)據(jù)標(biāo)定

由于刀圈不同位置在破巖過(guò)程中受力大小和磨損程度不同，將刀圈剖面劃分為刃部、中部和基體3個(gè)區(qū)域。為還原滾刀表面輪廓，將刀圈沿軸向取2n+1個(gè)切面，如圖6(a)所示。以C0切面為例，在標(biāo)定試驗(yàn)中可看出實(shí)測(cè)距離和傳感器測(cè)量值呈曲線關(guān)系，按最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行三次冪函數(shù)曲線擬合，如圖6(b)所示。通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)最終得到刀圈軸向各切面的標(biāo)定函數(shù)。

(a)切面劃分示意圖

擬合函數(shù)公式為

(3)

擬合優(yōu)度為

(4)

滾刀磨損標(biāo)定值為

δ=x-l0=f-1(x)-l0

(5)

2.4 可視化系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示，首先在軟件選擇監(jiān)測(cè)位置的對(duì)應(yīng)串口及切面標(biāo)定函數(shù)，開(kāi)啟電源后，無(wú)線模塊將啟動(dòng)信號(hào)傳輸至STM32L152芯片，隨后開(kāi)啟電渦流傳感器和磁開(kāi)關(guān)傳感器采集子程序。無(wú)線模塊使用Modbus-RTU通訊協(xié)議，一幀信息的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如表1所示。軟件具有實(shí)時(shí)接收和顯示磨損數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)還具有生成二維和三維可視化圖像、嚴(yán)重磨損報(bào)警及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程

表1 信息幀結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 傳輸穩(wěn)定性試驗(yàn)

在佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆隧道盾構(gòu)機(jī)拼裝管片間隙，電機(jī)設(shè)備仍在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，將系統(tǒng)硬件設(shè)備放置在人倉(cāng)中，上位機(jī)設(shè)備從前盾向盾尾緩慢移動(dòng)，依次檢驗(yàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)下的最大傳輸距離為50 m左右，能夠適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境。

表2 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

3.2 測(cè)量精度試驗(yàn)

以施工現(xiàn)場(chǎng)磨損失效的19英寸(1英寸=2.54 cm)滾刀刀圈作為室內(nèi)試驗(yàn)的研究對(duì)象，該滾刀失效類(lèi)型為均勻磨損。沿刀圈軸向取19個(gè)切面，沿周向取24個(gè)剖面。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖8，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄模擬滾刀旋轉(zhuǎn)，記錄系統(tǒng)輸出的磨損標(biāo)定值δ和游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)值δ′：

圖8 試驗(yàn)裝置

δ′=x′-l0

(6)

式中x′為傳感器與刀圈距離的游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)值。

3.2.1 刀圈剖面磨損分析

以7號(hào)剖面為例，如圖9所示。刀圈刃部在破巖力的作用下貫入巖層，導(dǎo)致該部位磨損嚴(yán)重，最大絕對(duì)誤差為0.55 mm，最大相對(duì)誤差為3.2%，說(shuō)明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在刃部區(qū)域的磨損測(cè)量值是精確的。刀圈中部在貫入度較大時(shí)才會(huì)進(jìn)入巖層中，其磨損量呈由大變小的趨勢(shì)，最大絕對(duì)誤差為1.82 mm，最大相對(duì)誤差為46.3%，說(shuō)明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在中部區(qū)域的磨損測(cè)量值是較準(zhǔn)確的。由于刀圈基體一般僅與破碎的巖石產(chǎn)生接觸磨損，磨損微小，最大相對(duì)誤差為59.1%，絕對(duì)誤差均在0.6 mm以內(nèi)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量微小磨損量時(shí)存在精度不足的問(wèn)題。

滾刀其他剖面的磨損情況和誤差分布與7號(hào)剖面具有相同的規(guī)律。刃部及大部分中部區(qū)域測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)?；w區(qū)域個(gè)別測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差較大，但絕對(duì)誤差均在1 mm以內(nèi)。

3.2.2 刀圈切面周向磨損分析

選取刀圈典型切面C0、L4和R6分析，將測(cè)量結(jié)果整理于表3，其中C0切面磨損結(jié)果如圖10所示。從各切面的磨損標(biāo)定值標(biāo)準(zhǔn)差可以看出刀圈切面周向各測(cè)點(diǎn)磨損差異很小，與滾刀實(shí)際磨損情況(均勻磨損)相符。

(a)剖面磨損情況(標(biāo)定值)

圖10 C0切面周向磨損數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 典型切面周向磨損數(shù)據(jù)匯總

3.3 三維可視化監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)滾刀進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)后，通過(guò)三維成像功能將磨損數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維可視化圖像，拖動(dòng)坐標(biāo)軸可查看不同角度下刀圈的磨損情況，如圖11所示。

圖11 滾刀磨損三維可視化圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合盾構(gòu)滾刀工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了滾刀磨損三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用低功耗STM32L152芯片處理傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)SI4432芯片將距離信號(hào)和磁開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸至上位機(jī)程序。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境，最大傳輸距離約為50 m。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量較大磨損時(shí)具有較高的精度，但測(cè)量滾刀邊緣微小磨損量時(shí)精度不足。

對(duì)于實(shí)際工程而言，滾刀刃部區(qū)域磨損最為嚴(yán)重也是最需要關(guān)注的部位。本系統(tǒng)對(duì)刀圈刃部的磨損測(cè)量值具有較高的精度，數(shù)據(jù)是可靠的。對(duì)于部分中部及基體區(qū)域微小磨損量的測(cè)量，其絕對(duì)誤差均在1 mm以內(nèi)，用于確定測(cè)點(diǎn)位置，生成三維可視化圖像是可行的。